Slobodna povrsinska energija tekstila

28
A.M. GRANCARlé i sur.: Slobodna povrsinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
Slobodna povrsinska energija tekstila
Prof.dr.se. Ana Marija Grancaric, dipl.ing.
Mr.sc. Anita Tarbuk, dipl.ing.
Prof.dr.sc. Emil Chibowski*
Tekstilno-tehnoloski fakultet Sveucilista u Zagrebu
Zavod za tekstilno-kemijsku tehnologiju i ekologiju
Zagreb, Hrvatska
*Maria Curie Sklodowska University, Department of Chemistry
Lublin, Poland
e-mail: [email protected]
Prispjelo 11.09.2007.
UDK 677.016:532.6
Pregled
Opisane su pojave na granicnim povrsinama u mokrim procesima opiemenjivanja tekstila, od kojih su najznacajnije - kvasenje. penetracija i adsorpcija. Ove se
pojave dogadaju u kontaktu dviju povrsina - kapljevine (kupelji) i krutine (tekstila), cija povrsinska svojstva odredujujakost medudjelovanja kruto-kaplj evito. Ta
su meâudjelovanja rezultat slobodne povrsinske energije tekstila i svojstva kupelji kojom se povrsina tekstila obraâuje. Slobodna povrsinska energija nekog
materijala (krutine) zbroj je energetskih doprinosa pripisanih razlicitim povrsinskim interakcijama, nepolarnim Lifshitz-van der Waalsovim i polarnim kiselo-baznim interakcijama. Najcesce primjenjivana metoda odredivanja slobodne
povrsinske energije direktnim mjerenjem dodirnog kuta (kuta kvasenja) ima znatnih ogranicenja kada je u pitanju tekstil, dakle, heterogena, porozna i najcesce
hidrofilna povrsina. Metoda odredivanja dodirnog kuta koristi se uglavnom na
vrlo glatkim, homogenim. najcesce hidrofobnim povrsinama, kao sto su npr.
polimerne folije. Problem odreäivanja slobodne povrsinske energije na heterogenim, poroznim materijalima, slabo definiranegeometrije. kao sto supraskasti
materijali, tekstil, keramika i si. rijesio je Chibowski polazeci od modificirane
Washbornove jednadzbe koja se odnosi na mjerenje kapilarnosti poroznih materijala. Uovom radu opisanjepristup odredivanju slobodne povrsinske energije i odgovarajucih energetskih komponenata na tekstilu, koji se temelji na eksperimentima kvasenja i penetracije nekoliko vrsta otapala, polarnih i nepolarnih
na uzorcima tekstila, koristenjem aparature po Chibowskom i Holyszu.
Kljucne rijeci: slobodna povrsinska energija, tekstil, kvasenje. dodirnikut, tankoslojna penetracija
1. Pojave na granicnim
povrsinama u mokrim
procesima
opiemenjivanja tekstila
U tekstilnom oplemenjivanju brojni su mokri proeesi u kojima tekstilni materijal moze promijeniti svoj
estetski izgied i postici visefunkcijska svojstva. Promjena estetskog izgleda uglavnom se postize bojadisanjem i tiskom, a funkcijska svojstva predapreturom i apreturom.
Ovisno 0 zeljenom ucinku natekstilu, razvijeni su brojni proeesi opiemenjivanja [1,2].
Opcenito, mokri procès opiemenjivanja tekstila sastoji se od jedne
ili vise sljedecih operacija:
• obrada (jedakomjeran nanos kupelji na tekstiini supstrat),
• fiksiranje (vezivanje sredstva za
tekstiini supstrat),
• pranje (uklanjanje nefiksiranog
sredstva s materijala),
• susenje (uklanjanje otapala, najcesce vode, s materijala).
Svaki mokri procès prate fizikalnokemijske pojave na granicnim povrsinama i pojave prijenosa tvari, koje
su odlucujuce za krajnji ucinak
obrade. Iz tih se razloga u ovom
radu istice vaznost njihove uloge u
konacnom ucinku opiemenjivanja
[2].
Tri su pojave na granicnim povrsinama ovdje znacajne:
• kvasenje - tekstila s kupelji,
• penetracija - kupelji u tekstil,
• adsorpeija-sredstva iz kupelji na
tekstilu.
Dakle, adsorpciji sredstava za
oplemenjivanje na tekstilu prethode
dvije medupovrsinske pojave, odnosno dva uvjeta. To su kvaâenje
povrsine tekstila s kupelji za
A.M. GRANCARIC i sur.: Slobodna povrSinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
obradu, nakon cega slijedi penetracija kupelji u pore tekstila gdje
dolazi do adsorpcije [2-4]. Dakle,
kvasenje i penetracija nisu razliciti
proeesi, vec je kvasenje uvjet za
penetraciju. KvaSenjejedinamicki
procès zamjene medupovrsine kruto-zrak s medupovrsinom kruto-kapljevito. Penetracija je prijenos
kapljevine u vlaknatu strukturu
prede ili plosnog tekstila. Vazno je
naglasiti da do penetracije kapljevine ne dolazi samo unutamjim kapilamim silama vec i vanjskim silama, npr. nepoîamim Lifshitz-van
der Waalsovim i polarnim kiselobaznim interakcijama [3].
Pojave na granicnim povrsinama
dogadaju se u medusloju pri kontaktu kapljevite i krute povrsine. Kada
neka kapljevina dodime krutinu,
povrsinska svojstva kapljevine i
krutine odreduju jakost medudjelovanja kruto-kaplj evito. Upravo
la medudjelovanja rezultat su slobodne povrsinske energije tekstila i napetosti povrsine kupelji kojom se povrsina tekstila obraduje.
Kvasenje povrsine kapljevinom
najcesce se opisuje dodirnim (kontaktnim) kutom {0) koji tvori tangenta kapi s povrsinom materijala.
Iz prakticnih razloga u tekstilstvu
ovaj kut se cesto naziva kutom
kvaSenja {d). Dobro je poznato da
kvasiva povrsina pokazuje mali kut
kvasenja jer se kap kapljevine potpuno razlije po povrsini, kut
kvasenja je ostar i tezi nuli. Kap na
slabo kvasivoj povrsini se na razlijeva vec ostaje u obliku kalote, tako
da tangenta na kalotu s povrsinom
tvori veliki kut 0 [2, 4-8].
Slobodna povrsinska energija se
izracunava iz komponenti koje
predstavljaju energiju veza na povrsini nekog materijala. Te energetske
komponente su vrlo vazne, ne samo
zaodredivanjejakosti veza, vec i za
kontrolu procesa u vodenim otopinama i suspenzijama (kvasenje,
adhezija). Odredenje svojstava
povrsine, posebice komponenata
slobodne povrsinske energije krutina, osnova je u razumijevanju povrsinskih pojava [2].
Tekstil danas ima sve aim primjenu.
Stoga je neophodno poznavanje
povrsine tekstila, posebice medupovrsinskih pojava izmedu krutine i kapljevine. Kvasenje, oplemenjivanje ili/i bojadisanje uvelike
ovise 0 promjenama slobodne povráinske energije. Premda su ti sustavi
izuzetno slozeni, pokazalo se da se
kombinacijom adsorpcije, elektrokinetickih i termodinamickih svojstava tekstilnih materijala moze
pruziti informacijaomehanizmima
pri kvasenju, oplemenjivanju i bojadisanju [1, 7-15].
Standardni pristup odredivanju slobodne povrsinske energije krutina i
komponenata slobodne povrsinske
energije izmedu krutine i kapljevine
temelji se na eksperimentima
kvasenja [16-19]. Metoda odredenja kuta kvasenja primjenjuje se za
krutine, ali kao mjera za hidrofobnost materijala. Postoji niz tehnika
koje se u tom smislu koriste [20].
Metoda kuta kvasenja primjenjiva
je na glatkoj, hidrofobnoj povrSini,
no postoje ozbiljna ogranicenja za
primjenu na tekstilu, jer je tekstil
heterogen, porozan materijal koji je
najöesce i hidrofilan [21-24].
1.1. Dodirni kut
Dodir krutina-kapljevina definirán
je teorijom dodirnog, odnosno kontaktnog kuta kapljevine na krutoj
povrsini. Vazno je naglasiti da do
ove pojave dolazi u slucajevima
kada molekule kapljevine ne reagiraju s povrsinom kapljevine vec se
samo adhezijski vezu za povráinu
[5, 20, 25-30].
29
Na sl.l prikazane su tri moguce
medupovräine - kruto-plinovito
(SA), kruto-kapljevito (SL), kapljevito-plinovito(LA). Radi Iakseg
razmatranja odnosa kruto-plinovito
(SA) oznaka za plinovito (A - air,
zrak) u daljnjem tekstu bit ce
izostavljena.
Termodinamika kvasenja definiranaje Youngovomjednadzbom (1)
[26,31]:
su rsA> /sL i ÏLA napetosti
opisanih medupovräina (SA), (SL)
i (LA). U osnovi su to energije
potrebne za stvaranje jedinicnih
povráina SA, SL i LA, a Öje kut
kvaSenja.
Do raziijevanja kapi po nekoj povrsini doci ce u sluèajevima kad je:
+cos(9)
(2)
Iz izraza je vidljivo da ce se to ostvariti kad su povrsinske napetosti na
graniônim povráinama kapljevitoplinovito (LA) i kruto-kapljevito
(SL) dovoljno niske da bi napetost
povrsine kruto-plinovito (SA) mogla biti veca od njihovog zbroja. To
je moguce postici organskim otapalima koja imaju nisku povrsinsku
napetost (tab. 1 ) ili vodenom kupelji
kojoj je dodan tenzid (koji smanji
povrsinsku napetost vode do vrijednosti 7LA « 20 - 30 lO-^Nm') te kada
je povráina tekstila ociScena od
primjesa (niski y^^).
Na sl.2 prikazan je stakleni stapic
vertikalno uronjen u kapljevinu.
Prilikom izvlacenja vertikalno
postavljenog stapica iz kapljevine.
'SA
Sl.l Shematski prikaz dodirnog kuta {&) oblikovanog izmedu tangente kapi kapljevine (L - liquid) i krute (S - solid) povráine; A (air) je okolni zrak
A.M. GRANCARIC i sur.: Slobodna povrSinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
30
Tab.l Vrijednosti povráinske napetosti i njenih komponenata {y, [mJ/m']) te dinamiôka viskoznost (TI [ P ] ) otapala, polarnih i nepolarnih, koja se koriste
u eksperimentima za odredivanje kvasivosti [32]
kapljevina
YL
ri.
Tl
INepolarna
Heksan
18,4
18.4
0
0
0
0.00326
rt-heptan
20,3
20,3
0
0
0
0,00409
Oktan
21,6
21,6
0
0
0
0,00542
0
0
0,00907
Dekan
23,8
23,8
0
Dodekan
25,35
25,35
0
0
0
0.01493
0
0
0,00912
Cikloheksan
25,5
25,5
0
Benzen
28,9
27.1
0
0
2,8
0,00604
Mctilenjodid
50.8
50,8
0
0
0
0,02800
Polarna
Etilen glikol
Formamid
48,0
19,0
1.92
19,0
2,28
47,0
39,6
0.19900
58,0
29.0
39,0
Glicerol
64,0
34,0
30,0
3,92
57,4
14,9000
Voda
72.8
21,8
51,0
25,5
25,5
0,01000
Ziva
471.9
-
-
-
-
-
Sl.2 Kvasenje staklenog stapica
potrebno je uloziti neki rad, a kapljevina se tome opire svojom napetoscu. To znaci daje stapic lakse
izvuci iz organskog otapala nego iz
vode koja ima znatno vécu povrsinku napetost i zato se tome vise
opire. Ova pojava ovisi o relativnom odnosu kohezijskih silakoje
djeluju medu molekulama kapljevine i adhezijskih sila krute povrsine i kapljevine koja je kvasi. Upravo odnosi ovih sila odreduju kut
kvasenja {ff). Tako ce se izvlacenjem stapica (sl.2) voda podizati, a
0,04550
ziva spustati ispod razine kapljevine, zbog jaceg opiranje zive
kvasenju stapica. Razlog tome su
jace kohezijske sile medu molekulama zive {/Hg = 471,9 mJ/m-) nego
medu molekulama vode (/H O = 72,8
mJ/m-)[2, 33].
Kako bi se molekule kapljevine
dovele na povrsinu stapica potrebno je izvrsiti odredeni rad {Wcwork of cohesion) kojim se savladavaju kohezijske sile molekula
kapljevine koje se tome suprotstavljaju. Upravo taj ulozeni rad povecava slobodnu povrsinsku energiju
krute povrsine. Na odredivanju tog
rada temelji se i jedna od metoda za
odredivanje kuta dodira primjenom
Wilhelmyjeva nácela objavljenog
jos 1863. godine u casopisu Annalen der Physik. Po tom nacelu vertikalna komponenta sile (F) koju je
potrebno upotrijebiti da se stapic
izvuce iz kapljevine je sila kvasenja
[33-35]. Ona ovisi o povrsinskoj
napetosti kapljevine (/u), kutu
kvasenja {6) i duljini kvasenja (/),
jednadzba (3) [26].
l-œsO
(3)
Rad doveden povrsinskom dijelu
kapljevine povecava njenu slobod-
nu energiju u usporedbi sa slobodnom energijom molekula u unutrasnjosti kapljevine. Ovaj visak energije opisuje se cinjenicom da postoji/7ovr5í«5¿/ napon koji djeluje
paralelno s povrsinom i sprjecava
povecanje granicne povrsine. Ovaj
napon predstavlja negativan pritisak. Prema defmiciji, pritisak je
odreden sHom pojedinici povrsine,
a povrsinski pritisak je definirán
silom po jedinici duzine.
Mjerenje sile kvasenja jedan je od
nacina mjerenja kvasivosti pojedinacnih tekstilnih vlakana. Primjena
ove metode na slozeniji vlaknati
proizvod (preda, plosni materijaii i
drugo) stvara neke poteskoce
[33,36]. Kapljevina tada ulazi u
pore tekstila, a u nekim slucajevima
se i adsorbira na vlakno, sto daje
krivu sliku kvasivosti tekstila.
Î.Ll. Histereza dodirnog kuta
Kvasenje je procès koji se temelji na
adsorpciji i desorpciji [29], Kap
kapljevine na krutoj povrsini siri se
po njoj do ravnoteznog stanja. Ako
se na postojecu kap dodajos kapljevine, kontakma linija se moze i dalje
siriti ili kapljica raste ne mijenjajuci
dodirnu liniju. Ako kapljica raste,
povecava joj se kalota, pri cemu
nastaje dodirni kut pri napredovanju
(advanced contact angle, 6.^.).
Odvodenjem kapljevine kalota se
smanjuje bez promjene linije
kvasenja, te nastaje kut kvasenja pri
povlacenju (receded contact angle),
9^. Raziika izjiiedu ovih dvaju kutova naziva se histereza dodirnog
kuta, H, jednadzba (4) [37-39].
H=Oa-ôr
(4)
Histereza dodirnog kuta pojavljuje
se u gotovo svim reatnim sustavima
[36]. Njena pojava se pripisuje kemijskoj i morfoloskoj heterogenosti
povrsine, hrapavosti, bubrenju, interdifuziji, promjeni i deformaciji
povrsine, i/ili necistocama prisutnim u kapljevini koje mogu reagirati s povrsinom [37-39]. Ako je
povrsina hrapava dodirni kut je veci
nego kod glatke povrsine istog kemijskog sastava. Uvrstavanjem
takvog kuta u jednadzbu (1) dove-
A.M. GRANCARIÓ i sur: Slobodna povrsinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
lo bi do velike pogreske koja bi
opisivala topografiju povrsine, a ne
njenu energiju. Za povrsine koje
nisu homogene, npr. tekstil, nije
uvijek moguce odrediti kretanje
kuta, odnosno dodirni kut.
Primjerice, bidrofobni materijal ce
uzrokovati porast kapljice, kut ce
rasti i bit ce 0.^. S druge strane, hidrofilni materijal ce uzrokovati
smanjenje kapljice, pri cemu ce
nastati 0^. Zahvaijujuci slozenosti
ove problematike, eksperimentalno
je utvrdeno da dodirni kut moze ili
ne mora odgovarati Youngovom
dodimom kutu 0, te vrijedi:
1. Na idealnim krutim povrsinama
nema histereze i eksperimentalni kut O odgovara Youngovom;
2. Na glatkim, ali kemijski heterogenim krutim povrsinama, izmjereni kut 0ne odgovara nuzno, ali
moze odgovarati Youngov. Najcesce je to kut pri napredovanju 0.^.
Moze biti i kut pri povlacenju 0^,
premda nije mjerljiv i ponovljiv,
jer nastaje kao rezultat apsorpcije
kapljevine u krutinu ili zbog bubrenja krutine uslijed kapljevine;
3. Na hrapavim krutim povrsinama,
ne postoji veza ¡zmedu Youngova dodirnog kuta i 0^, te 0,. U tom
slucaju Youngova jednadzba ne
vrijedi [39].
2. Slobodna povrsinska
energija
Slobodna povrsinska energija je slobodna energija na dvodimenzionalnom podrucju dodira dviju povrsina [29]. Za boije razumijevanje slobodne povrsinske energije moze
posluziti primjer slobodne energije
u kemijskim reakcijama u kojimaje
slobodna energija ona energija koja
je pohranjena u vezama reaktanata
i vezama produkata reakcije. U nekoj kemijskoj reakciji ona se mijenja jer se tijekom reakcije upravo
promjene odnosi ovih energija.
Promjena slobodne energije (AG)
neke reakcije ovisi o promjeni entalpije (A//), o temperaturi (T) te
promjeni entropije (A^) izmedu
reaklanala i produkata, jednadzba
(5):
= AH--TAS
(5)
AG se naziva Gibbsova slobodna
energija ili termodinamicki potencijal i izrazava se u dzulima [J].
Negativna AG ukazuje na oslobadanje energije tijekom reakcije
otpustanjem u okolinu. Tada reakcija tece spontano. Pozitivna AG
ukazuje na potrebno uzimanje energije iz okoline za odvijanje
neke reakcije.
31
van der Waalsovih i polamih kiselo-baznih medudjelovanja:
gdje su: y^-^ - nepolame komponente slobodne povrsinske energije
nastale usiijed Lifshitz-van der
Waalsovih medudjelovanja, 7^'^" polarne komponente slobodne povrsinske energije nastale uslijed
Lewisovih kiselo-baznih medudjelovanja (acid-base).
Kad je promjena slobodne energije Lifshitz-van der Waalsove sile dje(AGj jednaka nuli, pri stalnoj tem- luju na sve atome i molekule, ukperaturi i stalnom tlaku rad nije Ijucujuci i one neutralne. Mogu
moguc. Kadje promjena slobodne djelovati na velikim udaljenostima,
energije veca od nule, potrebno je cak do 10 nm (100 Â) i orijentirati
uloziti rad za spontano odvijanje molekule. Mogu biti privlacne i
reakcije. Ako je ona manja od nule, odbojne. Ukijucuju disperznu (Lonreakcija se spontano odvija uz do- don), retardacijsku, orijentacijsku
bivanje korisnog rada. Dakle vrije- (Keesom) i induktivnu (Debye) endi sljedece:
ergiju [45].
AG = O - rad nije moguc;
Lewisovim kiselo-baznim vezama
AG > O - rad je moguc, treba ulo- uglavnom se smatraju medumolekulna djelovanja izmedu Lewisovih
ziti energiju;
kiselina
(elektronakceptor) i baza
AG < O - rad je moguc bez ulaga(elektrondonor)
na povrsini. Djelunja energije, odvija se
ju na malim udaljenostima <0,3 nm
spontano.
(<3 A), ali se s povecanjem udaIjenosti njihovo djelovanje uvelike
2.1. Van Oss-Chaudhury-Good
smanjuje.
Najcesci obiik je vodi(OCG) naèelo
kova veza, ali ima i drugih [45].
U posljednjih dvadesetak godina
Kiselo-bazna komponenta moze se
ucinjen je velik napredak u spoznaizraziti (8):
vanju slobodne povrsinske energije, zahvaijujuci istrazjvanjima poAB _
(8)
najvise Fowksa [26,29], te van Ossa, y¡
Chaudhurya i Gooda [29,40-43].
Prema van Oss-Chaudhury-Good
Prema Fowkesu rad adhezije {W^, (OCG) pristupu promjena slobodne
work of adhesion) izmedu kapije- povrsinske energije izmedu dviju
vine i krutine moze se izraziti interaktivnih povrsina, primjerice
krutine i kapljevine (AG^^), danaje
jednadzbom (6):
izrazom (9):
Wa = W^ + W^''^
(6)
gdje su: W^^ - disperzne Íli nepolarne sile, Wj'' - nedisperzne ili
polarne (ionske) sile.
Sve su krutine hidrofobne ako je
Wj"^ = O, odnosno ukoHko na povrsini nema slobodnih polamih skupina na koje se mogu vezati molekule
vode.
Prema van Ossu i sur. [9,26,29,4044] ukupna slobodna povrsinska
energija faze / (//"') predstavlja
sumu energije nepolarnib Lifshitz-
AGsL =AG!,f +AGâP
(9i\
gdje su: aGs¿^' - promjena slobodne
povrsinske energije uslijed Lifshitzvan der Waalsovih medudjelovanja,
AGy;''* - promjena slobodne povrsinske energije uslijed kiselo-baznih
medudjelovanja.
Fowkes je pokazao daje
(10)
a van Oss i sur.:
32
A.M. GRANCARIC i sur.: Slobodna povrsinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
Ako se zele odrediti komponente
slobodne povrsinske energije kako
bi se opisala povrsina neke krutine,
Iz toga slijedi:
neophodno je mjeriti dodirni kut
[22-24,56,57].
Kako bi se utvrdile vrijednosti komMjerenja
se vrSe goniometrijski.
ponenata slobodne povrsinske enJedan
od
takvih
uredaja za mjerenje
(12) ergije krutina., odnosno ;K;"*, XS i ys •> je i goniometar DataPhysics OCA
neophodno je odrediti dodirni kut
20 Instrument, si.3 [61].
Promjena slobodne povrsinske en- na krutini uz tri razlicite kapljevine
ergije povezana medudjelovanjem poznatih svojstava (/¿^*, / / , / ¿ )• Naceio mjerenja [45-51]. Slobodkrutine i kapljevine danaje odno- Tako se uspostavija sustav triju na kapljica (2)iL) testne kapljevine,
jednadzbi s trima nepoznanicama. najcesce destilirane vode, formamsom:
Njegovim rjesenjem dobiju se vri- ida (p.a. 99.5%, Fluka) i metilen
(13) jednosti nepoznatih / / * , ys ys [42, jodid (p.a. 99%, Aldrich) kapa se
okomito na povrsinu pri 23 °C.
51-55].
Iz (12) i (13) slijedi:
Dodirni kut se odreduje 10 do 30 s
Ako se nepolarna kapljevina nade nakon kapanja. Prosjecne vrijedna povrsini krutine, a dodirni kut nosti od najmanje 5 kapi sluze za
moze se izmjeriti, jednadzba (17) izracunavanje komponenata sloskracuje se na izraz (18):
bodne povrsinske energije prema
(14)
razlicitim
modelima koji se temelje
, 2 4 y ^ ^
(18)
na
OCG
nacelu i Youngovoj
Kao sto se iz jednadzbe (14) vidi
jednadzbi
(15).
jer
/¿^
i
yi
iznose
0.
Dakle,
iz
postoje cetiri nepoznanice za
izracunavanje ys,', komponente slo- jednadzbe (18) moze se odrediti
bodne povrsinske energije krutine - X^.'-îz samo jedne vrijednosti dodir- Owens-Wendtov model:
y» ys'-^^ ysJs [9,44,46-50]. Kompo- nog kuta, ako su vrijednosti neponente slobodne povrsinske energi- lame kapljevine /¿ i ^¿^*poznate. r.sv.=y s+yL
je za kapljevinu lako se pronalaze u Nakon sto se iz jednadzbe (18)
odredi vrijednost y^'*'' iz jednadzbe
(20)
literaturi, tab.l.
(17) lako je odrediti / / i /^ Kada su u kojem ukupnu slobodnu povrsin-^
Rad adhezije ili Gibbsova slobod- tri komponente povrsinske napetona energija medudjelovanja (AG) sti krutine poznate {y^^, ys\ ys), slo- sku energiju predstavlja zbroj dismogu se povezati s Youngovom bodna povrsinska energija krutine perzne (d) i polame (p) komponente, a slobodnu povrsinsku energiju
jednadzbom [26,29]:
racuna se prema:
na granici faza geometrijska sredina povrsinskih energija dodirnih
y¡Loô - y^ Yî
\\ :>}
o
faza [26,51,59,60].
gdje su: y, - povräinska napetost
kapljevine, ysi - medupovrsinska
- „/.w
(19)
Wuov model:
napetost izmedu krutine i kapljeDakle,
ako
je
slobodna
povráinska
vine, ys - slobodna povrsinska enenergija poznata za dva materijala,
ergija krutine.
moguce je pretpostaviti njihovo
yi+yt
Prema Young-Dupréu iz izraza ( 13) kvasenje, rad adhezije i promjenu
i (15) proizlazi izraz (16):
(21)
Gibbsove slobodne energije.
(16)
-AGs!. =
2.2. Odredivanje slobodne
povrSinske energije na
osnovi mjerenja dodirnog
kuta
<=>
/•'''
=
Stoga je:
(17)
koji je poznat kao van Oss-Chaudhury-Good (OCG) thermodinami¿ko na¿eio za odredivanje
vrijednosti komponenata slobodne
povrsinske energije krutina, odnosno ys'-^, ys' i ys^ [26,32].
a)
b)
SI.3 DataPhysics OCA 20 Instrument za mjerenje dodimog kuta: a) fotografija
uredaja; b) fotografija kapljevine na uzorku tekstila [50]
A.M. GRANCARK^ i sur.: Slobodna povrSinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (20Q8.)
33
u kojem ukupnu slobodnu povrsinsku energiju predstavlja zbroj disperzne {d) i polame (p) komponente, a slobodnu povrsinsku energiju
na granici faza harmonijska sredina povrsinskih energija dodirnih
faza [26,45,51,61].
Fowkesov modei - kiseio-bazni
(acid-base):
temelji se na pretpostavci da se
dodime faze ponaSaju kao elektrondonori ili/i elektronakceptori
[26,45,51]. U tom slucaju ukupna
slobodna povrSinska energija se
racuna prema (7), a izmedu faza
prema (22):
(22)
pri ¿emu su:
(23)
(24)
Shematski prikaz odredivanja komponenata slobodne povrsinske energije iz dodimog kuta formiranog
izmedu kapi kapljevine i krute povrsine nalazi se na sl.4.
(1 + cos
Sl.4 Shematski prikaz odredivanja komponenata slobodne povráinske energije
iz dodimog kuta oblikovano izmedu krutine i kapljevine, cos îndicira
ravnotezu izmedu sila koje djeluju medu molekulama kapljevina (horizontalne strelice, kohezija) i sila medu molekulama kapljevine i krutine (vertikalne strelice, adhezija); nepolame sile naznacene su punom, a polame
isprekidanom linijom [29]
sinske energije, ali danas se ne
primjenjuje cesto [64].
Neumannova metoda:
Ovo je najnovija metoda za
Ova se metoda [65-67] temelji na odredivanje slobodne povrsinske
pretpostavci da postoji odnos izme- energije [37,38,64,69,70]. Sastodu slobodne povrSinske energije ji se od mjerenja dodimog kuta pri
krutine (/s), slobodne povrSinske napredovanju 0^ i pri povlaèenju 0^
energije kapljevine {y¿) i slobodne uporabom iste kapljevine poznate
povrsinske energije medupovrsine y^. Tada slobodna povráinska energija iznosi:
kruto-kapljevito (/SL)-
Zismanova metoda:
Ova metoda odreduje tzv. kritiCnu
slobodnu povrsinsku energiju, y^
koja se razlikuje po iznosu od y^. Stoga vrijedi:
Prema Zismanu [62,63] vrijedi y^
krutine odgovara y^^ kapljevine s
kojom je u dodiru pri cemu je dodirni kutjednak 0.
X: je odredena eksperimentalno na
-0,0001247
homogenom materijalu i vrijedi;
yj
(25)
gdje je h tangenta na dodimi kut.
Iz(l) i (25) slijedi:
(26)
4b
Ovaj model je svojedobno predstavio napredak u rasvjetljenju fenomena kvasenja i slobodne povr-
Metoda odredivanja slobodne
povrsinske energije mjerenjem
histereze dodirnog kuta
(27)
+ cos Ôa Y
-(\ + CQ^ Oaf
(28)
Vazno je napomenuti da se u ovom
slucaju koristi samo jedna kapljevina za razjiku od svih drugih metoda koje koriste dvije i vise kapljevina. Prema jednadzbi (28), ako su /¿
i 0¿ poznate, ;i'¿se lako izracuna.
Vrijednosti slobodne povráinske
energije su priblizni Owens-Wendtovom modelu, izuzev za podrucje
20-50 mJ/m-[64].
Ova jednadzba uzima u obzir adsorpeiju medupovrsine.
Dodimi kut koji se pojavljuje u (1)
je kut pri napredovanju:
/i-^rs-A + r/.cosfí;
(30)
Slobodna povráinska energija y^
koja uzima u obzir adsorpciju prilikom mjerenja kuta 0^ iznosi:
(31)
Tada vrijedi:
(32)
A.M. GRANCARIÓ i sur.: Slobodna povrâinska energija tekstila, Tekstil 57 (i-2) 28-39 (2008.)
34
gdje je ;r pritisak pri ravnotezi filma po kojem se siri kapljevina.
U tom slucaju racuna se rad adhezije prema ( 16) uzevsi u obzir dodirni kut pri napredovanju 0^ i pri povlacenju 0^ ovisno o sustavu.
2.3. Odredivanje slobodne
povrsinske energije
mjerenjem tankoslojne
penetracije
Jednadzbu za izracunavanje slobodne povrsinske energije krutih
povrsina, na osnovi mjerenja tankoslojne penetracije, dao je Washbum
jos 1921. godine [70,71]. Ona
odreduje brzinu penetracije kapljevine u kapilari:
coso
(33)
gdje je: n - brzina penetracije kapljevine u kapilari, r - radius kapilare, y¡ - povrsinska napetost kapljevine, rj - viskoznost kapljevine, x duljina penetracije kapljevine, 0 kut kvasenja stijenke kapilare kapljevinom.
U slucaju porozne povrsine, radius
kapilare (r) se treba zamijeniti s
„efektivnim radiusom", koji se
oznacava s {R).
Prakticnijajednadzba dobije se ako
se brzina penetracije kapljevine u
kapilari izrazi sa:
na kmtim povrsinama. U ovoj metodi primjenjuje se samo polidisperzna suspenzija nepravilno oblikovanih cestica za odredivanje
dodimog kuta.
stil u atmosferi svojih molekula u
plinskom stanju, a ne kao u vecini
realnih slucajeva u atmosferi zraka.
Tada je:
Nácelo mjerenja. Ova metoda
(39)
tankoslojne penetracije, kao i metoda kapilare, temelji se na Washbumovoj jednadzbi (35). Uzorak se
jednim krajem vertikalno uranja u
kapljevinu koja se kapilamim silama meduprostora penje po uzorku.
Mjeri se brzina kojom se kapljevina penje, te se preracunava dodimi
kut prema Washburnovoj jednadzbi:
Rty,
Vrijednost R moze se postici
primjenom kapljevine koja se potpuno siri, nepolama kapljevina kao
heksan, heptan, oktan, dekan i dodekan. Tada je c o s o - o , pa
u odnosu na y¡^ za alkane daje pravac. Nagib pravca cini radius pora, Ako se ispred penetrirajuce kapljeR. Ukoliko je R poznat, lako se vine oblikuje tanki film, primjerice
izracuva dodimi kut prema (36).
adsorpcijom para kapljevine, tzv.
prekontaktirana povrsina, tada se
AC u jednadz.bi (38) oznaci sa AC^
Model prema Chibowskom i koja tada odgovara napetosti kapljesuradnicima
vine /,. Tada jednadzba (38) mijeTemelji se na Washbumovoj jed- nja obíik u (40) [44]:
nadzbi. Izraz (35) su Chibowski i
sur. [41-47] modifieirali uvrstivsi da
(40)
je:
2/7
y, cosO = AG
X
V = —
(36)
(37)
(34)
t
gdje je t vrijeme u kojem se postigne
udaljenostx [70].
Uvrstavanjem izraza (34) u
jednadzbu (33) dobije se sljedeci
AG znaci promjenu slobodne energije u prodiranju kapljevine u
porozni materijal, primjerice tekstil.
Tada jednadzba (35) poprima
sljedeci oblik:
RtAG
izraz:
Rt y, COS0
2;?
(35)
Model prema van Ossu i suradnicíma
Van Oss i sur. [29] razvili su vrlo
korisnu alternativnu tehniku mjerenja za odredivanje dodimog kuta
Ako je tako, moze se odrediti
promjer pora R, tako da AC u (38)
predstavlja nagib pravca [72].
Spomenuti autori su na osnovi teoretskih razmatranja i eksperimentalnih rezultata zakljucili da AC ovisi
o medudjelovanju kruto-kapljevito.
Ono je odredeno slobodnom povrsinskom energijom kapljevine i
krute povrsine. Komponente slobodne povrsinske energije proizlaze
iz nepolarnih, Lifshitz-van der
Waalsovih sila, yj-^' i polamih elektron donorskih ys' te elektrona akceptortskih sila y^', koje su tipa
Lewisovih baza i kiselina. To se
moze u tekstilstvu primijeniti i za
izracun drugih svojstava, npr.
poroznosti tkanine [73,74].
(38)
Nepolamo otapalo, cija je slobodna povrsinska energija niska
(// = 16-26 mN/m) potpuno prokvasi povrsinu a dodimi kut tezi nuli
{0 -> O, c o s ^ ^ 1). Ako se kruta
povrsina izlozi zasicenim parama
kapljevine i postigne ravnotezno
stanje, tada kapljevina prodire u tek-
Tz ove jednadzbe moze se izracunati
radius R za izmjerene vrijednosti
odnosa x^^/(t) za «-alkane.
Za ista, nepolama otapala, kada se
prodiranje kapljevine mjeri u atmosferi zraka, promjena slobodne
energije se oznacava s ACh- Ovdje
oznaka b doiazi od engleske rijeci
bare-plate, sto znaci cista povrsina,
dakle kruta povrsina iznad koje je
samo zrak. Tada je AC,, raziika izmedu rada adhezije W^^ i rada kohezije W^^.
AGh =
WA -WC
(41)
U slucaju n-alkana koji djeluju
samo Londonovim disperzijskim
silama, adhezijski rad iznosi:
A.M. GRANCARIÓ i sur.: Slobodna povrSinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
^
35
(42)
a rad kohezije ovisi samo o napetosti kapljevine:
(43)
Prema tome:
(44)
Izjednadz;be (42) moguce je odrediti komponentu/s'^kada se promatra prodiranje n-alkana. Medutim,
situacijaje znatno slozenija u slucaju kapljevina koje tvore znacajan
kut kvasenja, sto znaci kapljevina s
vecom povrëinskom napetoscu.
Chibowski i sur. [44,51-53,75] su
pokazali da u ovim slucajevima razlika izmedu izracunate energije
odgovara razlici rada adhezije i rada
kohezije kapijevine.
,W,-lVc
(45)
Za nepolame kapljevine vrijedi:
AGh - AGp -
- 2 y¡
(46)
a za polame kapljevine potrebno je
u/eti u obzir elektrondonorske {y^')
i elektronakceptorske komponente
iy^')y i kapljevine i krute povrsine,
te vrijedi:
(47)
Za ovaj izraöun potrebno je u eksperimentu primijeniti dvije polame
i jednu nepolamu kapljevinu.
Vidljivo je dalje da za izracunavanje
slobodne povrsinske energije nije
potrebno poznavanje vrijednosti
kuta kvasenja, koji nije jednostavno
izmjeriti na tekstilu.
Nácelo mjerenja. Chibowski i sur.
[44] predlozili su teoriju i nácelo
mjerenja slobodne povrsinske energije na osnovi mjerenja tankoslojne penetracije. Mjerenje se izvodi
na aparaturi po Chibowskom i Holyszu, sl.5.
SI.5 Aparatura po Chibowskom: 1 - stakleni pokrov; 2 - uzorak tekstila; 3 - aluminijska potporna ploCica; 4 - Petrijeva zdjelica; 5 - komora od pleksiglasa;
6 - poklopac od pleksiglasa
Navedena metoda je modifícirana
metoda koju su najprije razradili
van Oss i sur. Teorijski i eksperimentalno doradili su je Chibowski
i sur. za glatke, ravne povrsine, a za
tekstil primijenili Chibovski, Granearic i sur. [76-79]. Temelji se na
mjerenju brzine penetracije nepolamih i polamih kapljevina u tekstiini supstrat. Epruvetama tekstila dimenzija 25^1 cm minimalne vodljivosti mjeri se brzina penetracije kapljevine (otapala) u atmosferi
zraka i atmosferi otapala. Kako je
slobodna povrsinska energija zbroj
energije koju daju nepolame (hidrofobne) x/** i polame (hidrofílne)
Xs''^ skupine na povrsini tekstila,
primijenjuju se tri kapljevine: nheptan kao nepolarno, te voda i formamid kao polama otapala, tab. 1. Iz
nagiba pravaca x- = j{\), gdje je x
duljina prodiranja otapala u [cm], a
t vrijeme u [s], izracunaju se varijable pomocu kojih se u konacnici
izracuna slobodna povrsinska energija pamuka {y^).
Slobodna povrsinska energija {y^)
za pamucne tkanine racuna se u
nekoliko koraka [74-79]:
1. Iz rezultata kapilame penetracije n-heptana u atmosferi /7-heptana izracuna se radius pora (R)\
2. Iz rezultata kapilame penetracije «-heptana u atmosferi zraka
izracuna se promjena slobodne
energije (AG/') za procès prodiranja kapljevine u poroznu
povrSinu;
3. Iz dobivene vrijednosti AC, treba
izracunati Xs"*, jednu od komponenata za izracunavanje slobodne povrsinske energije tekstila;
4. Iz rezultata kapilame penetracije vode u atmosferi zraka izraCunava se promjena slobodne energije
5. Iz rezultata kapilame penetracije vode u atmosferi vode izracunava se promjena slobodne energije (AC/);
6. Iz rezultata kapilame penetracije formamida u atmosferi zraka
izracunava se promjena slobodne
energije (AC,O;
7. Iz rezultata kapilame penetracije formamida u atmosferi formamida izracunava se promjena
slobodne energije (AC^^;
8. Ukupna slobodna povräinska energija (Xv) jednaka je zbroju slobodnih povrsinskih energija koje
proizlaze iz nepolarnth iyj'^') i
polamih {y^ i /¿^ ' ) veza na tekstilu:
(48)
l^y'fyf
+ 2 ^ / ^ +2 ^ / ^ =
= AG[ - AGI +2yI
(49)
2.4. Kvasivost tekstila
Nakon izracuna komponenata slobodne povrsinske energije moze se
izracunati kvasivost tekstila.
Izrazava se jednadzbom rada
kvasenja, Wî'^ngX. Work of spreading)
W =W — W
(SCí\
36
A.M. GRANCARIC i sur.: Slobodna povrSinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
koja izraàunava rad potreban da se
povráina prokvasi, najcesce vodom.
Predstavlja razliku potrebnog
ulozenog rada za saviadavanje sila
adhezije {iVJ i rada za saviadavanje sila kohezije vode (W^) (ili bilo
koje druge kapljevine). Za slucaj
vode jasno je da se radi o savladavanju kohezijski sila od 72 mJ/m
(povrsinska napetost vode) koje se
suprotstavljaju razlijevanju vode po
nekoj povrsini, bila ona tekstilna ili
ne.
Izracunava se iz jednadzbe:
(51)
ff¿ je rad potreban za prokvasavanje povrsine. Tri su mogucnosti:
Ws = 0 - rad nije moguc;
Ws < 0 - rad je moguc, treba uloziti
energiju;
Ws > 0 - rad je moguc bez ulaganja
energije, odvija se spontano.
3. Zakljucak
Metoda direktnog mjerenja dodirnog kuta pri kvasenju krutog materijala kapljevinom pokazuje znatno
ogranicenje u provedbi mjerenja na
heterogenim, poroznim, hidrofilnim
povráinama kakva je cesto i povráina tekstila. Stoga, teorijski razradena metoda po Chibowskom i prilagodena tehnika tankoslojne penetracije, kojom se izbjegava direktno mjerenje kuta kvasenja, znaci
bitan pomak u istrazivanjima medupovrsinskih pojava na granici
teksti 1-kaplj evina.
Literatura:
[1] Holme I.: Adhesión to Textile Fibers and Fabrics, International Journal of Adhesion & Adhesives 19
(1999)455-463
[2] Groot Wassink J., H. Gooijer: Wet
Processing of Textiles, Proceedings
of 17th IFATCC, Wien 1996, 331333
13] Kissa E.: Wetting and Wicking,
Textile Research Journal 66 (1996)
10,660-668
14] RamachandranT.,N. ÍCesavaraja:
A Study of Influencing Factors for
Wetting and Wicking Behaviour;
IE (I) Jouma!-TX 84 (2004) 37-41
15] Goswami B.C.: Capillary Surface
Materials; 1st AUTEX Conference, Tecnitex 2001, 2629.6.2001, Povoa de Varzim, Portugal, 37-46
[6] Pociute M. et al: Wetting Behaviour of Surgical Polyester Woven
Fabrics, Materials Science 9
(2003)4,410-413
[7] Pociute M. et al: Liquid Film Instability on a Single Fiber, Materials Science U (2005) 1, 84-87
[8] HsiehY.L.,B.Yu: Liquid Wetting,
Transport, and Retention Properties of Fibrious Assemblies; Part I:
Water Wetting Properties of Woven
Fabrics and Their Constituent Single Fibers; Textile Research Journal 62 (1992) 11, 677-685
[9] Espinosa-Jimenez M. et al: Surface Energetics ofthe Adsorption
Process of a Cationic Dye on Leacril Fabrics, Journal of Colloid
and Interface Science 194 (1997)
419-426
110] Simonôiô B., T. Topliäek: Influence ofthe Surfactant structure on
the Surface Free Energy of the
Desized Cotton Fabric, Book of
Proceedings of 5th AUTEX Conference, 27-29.6.2005, Portoroz,
Slovenia, 401-405
[11] Simoneia B., V. Rodman: Wettability of Cotton Fabric by Aqueous Solutions of Surfactants with
Different Structures; Colloids and
Surfaces A: Physicochem. Eng.
Aspects 292 (2007) 236-245
[12] Grancaric A.M. et al: Electrokinetic Potential of Some of the
Most Important Textile Fabrics;
Coloration Technology 121
(2005)4,221-227
[13] Grancaric A.M. i sur.: Electrokinetic Behaviour of Textile Fibers,
Polimeri 23 (2002) 6, 121-128
[14] Jacobasch H.J.: Oberflächenchemie faserbildender polymerer,
Akadenie Verlag, Berlin (1984),
114
[ 15] Stana-Kleinschek K. et al : Surface
Characterization and Adsorption
Abilities of Cellulose Fibers, Polymer Engineering and Science 39
(1999)8, 1412-1424
[161 Grancaric A.M. et al: A. Enzymatic Scouring for Better Textile
Properties of Knitted Cotton Fabrics, Journal of Natural Fibers 3
(2006)2/3, 189-197
[17] Grancaric A.M. et al: Environmental Friendly Cotton Scouring;
Proceedings ofthe 2nd International Symposium on Environmental Management September
12-14,2007, Zagreb Fair, Zagreb,
Croatia (in press)
[18] Jordanov I. et al: Fine Structure
and Wettability of Enzymatic
Scoured and Mercerized Cotton,
Proceedings. 37th International
Symposium on Novelties in Textiles, Demsar A. i sur. (ur.),
Ljubljana, NaravnoslovnotehniSka fakulteta, Oddelek za tekstilstvo, 2006
[19] Tarbuk A. et al: Interface Phenomena of Cotton Fabrics - Influence of Pretreatement, Proceedings of 37th International Symposium on Novelties in Textiles,
DemSar, A. i sur. (un), Ljubljana,
Naravnoslovnotehniska
fakulteta, Oddelek za tekstilstvo,
2006
[20] Holland L.: Wetting Glass Surfaces, Chapter 6 in The Properties
of Glass Surfaces, Chapman and
Hall, London 1966
[21] Costanzo P. et al: Comparison
Between Direct Contact Angle
Measurements and Thin Layer
Wicking on Synthetic Monosized
Cuboid Hematite Particles; Langmuirll(I995) 1827-1830
[22] Tarbuk A. i sur.: Interface Phenomena of Modified Cotton
Materials, Book of Abstracts of
1st European Chemistry Congress, Naray-Szabo, G. (ur.), Budapest, EuCheMS, 2006. H-PO41
[23] Tarbuk A. et al: Surface Free Energy of Pretreated and Modified
Cotton Woven Fabric, Proceedings of 7th AUTEX Textile Conference; Salonen, R., Heikkila,
Pirjo (ur.), Tampere, Tampere
University of Technology (2007)
1104-1110
[24] Tarbuk A. et al: Interface Phenomena of Ecologically Scoured
Cotton Material, Proceedings of
the 18th International DAAAM
Symposium "Intelligent Manu-
A.M. GRANCARlé i sur: Slobodna povrSinska energija tekstila. Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
facturing & Automation: Focus
on Creativity, Responsibility and
Ethics of Engineers" 24-27th
October 2007 (in press)
[25] Carroll B.J.: Direct Measurement
on the Contact Angle on Plates
and on Thin Fibers: Some Theoretical Aspects; Contact Angle,
wettability and Adhesion, Ed.
K.L. Mittal, VSP( 1993) 235-246
[26] Good R.J.: Contact Angle, Wetting and Adhesion - a critical review in Contact Angle Wettability and Adhesion (Mittal, K. L.,
Ed.), VSP, Utrecht, The Netherlands (1993) 3-36
[27] Jenkins L.M., A.M. Donald: Contact Angle Measurement on Fibers in the Environmental Scanning Electron Microscope; Langmuir 15 (1999) 22, 7829-7835
[28] Ström G. et al: Contact Angles,
Work of Adhesion, and Interfacial
Tensions at a Dissolving Hydrocarbon Surface, Journal of Colloid Interface Science 119 (1987)
2, 352-361
[29] van Oss C. J.: Interfacial Forces
in Aqueous Media, Marcel
Dekker Inc., New York, 1994
[30] Le C.V. et al: Measuring the Contact Angle of Liquid Droplets on
Wool Fibers and Determining
Surface Energy Conponents; Textile Research Journal 66 ( 1996) 6,
389-397
[31] Hsieh Y.L. et al: Water Wetting
and Retention of Cotton Assemblies as Affected by Alkaline and
Bleaching Treatments; Textile
Research Journal 66 (1996) 7,
456-464
[32] Yildirim I.: Surface Free Energy
Characterization of Powders;
Dissertation, Facult>' ofthe Virginia Polytechnic Institute and
State University, April 2001,
Blacksburg, Virginia, USA
[33] Hodgson K.T., J.C. Berg: Dynamic Wettability Properties of
Single Wood Pulp Fibers and
Their Relationship to Absorbency. Wood and fiber Science 20
(1988) 1,3-17
[34] Miller B.: Critical Evaluation of
Upward Wicking Tests, Proceedings of 3rd Nonwovens Symposium 2000 Cotton Beltwide Conference; San Antonio, 2000
[35] Minor F.W. et al: The Migration
ofLiquids inTextile Assemblies;
Part II: The Wicking ofLiquids in
Yams; Textile Research Journal
29(1959) 12,931-949
[36] Chattopadhayay R.: Wicking
Behevior of Compact and Ring
Spun Yams and Fabrics; Melliand
Intemational 11 (2005) 3, 25-27
[37] CbibowskiE. et al: On the interpretation of contact angle hysteresis, J. Adhesion sei. Technol. 16
(2002)10,1367-1404
[38] RadelczukH. etal:Comprisonof
the Lifshitz - van der Waals /
acid-base and contact angle hysteresis approaches for determination of solid surface energy, J.
Adhesion Sei. Technol. 16(2002)
12, 1547-1568
[39] Kwok D.Y., A.W. Neumann:
Contact Angle measurement and
Contact Angle Interpretation, Advances in Colloid and Interface
Science 81 (1999) 3, 167-249
[40] van Oss C.J. et al: Monopolar
Surfaces, Adv. Colloid. Interface
Sei. 28 (1987) 35-64.
[41] van Oss C.J. et a!: Additive and
Nonadditive Surface Tension
Components and the Interpretation of Contact Angles, Langmuir
4(1988), 884-891
[42] van Oss C.J. et al: Estimation of
the Polar Parameters ofthe Surface Tension ofLiquids by Contact Angle Measurements on
Gels, J. Colloid Interface Sei. 128
(1989)313-319
[43] van Oss C.J. et al: Determination
of Contact Angles and Pore Sizes of Porous Media by Column
and Thin Layer Wicking. Contact
Angle, Wettability and Adhesion.
In: Contact Angle, Wettability
And Adhesion. Ed. K.L. Mittal,
Utrecht VSP Eds, Utrecht (The
Netherlands) (1993) 268-284
[44] Chibowski E., L. Holysz: Use of
the Washboum Equation for Surface Free Energy Detemiination;
Langmuir 8 ( 1992) 2,710-716
[45] Woodward R.P.: Prediction of
Adhesion and Wetting from
Lewis Acid Base Measurements,
DataPhysics Optical Contact Angle Measuring Instruments
(OCA) data sheet
37
[46] Chibowski E., F. Gonzalez-Caballero: Theory and practice of
thin layer wicking. Langmuir 9
(1993)330-340
[47] Chibowski E. et ai: Surface Free
Energy, adsorption and Zeta Potential in Leacril/Tannic acid System, Langmuir 14 (1998) 18,
5237-5244
[48] Chibowski E.: Thin layer wicking
- Methods for the determination
of acid-base energies of interaction, Acid-Base Interaction: Relevance to Adhesion Science and
Technology 2 (2000), 419-437
[49] Chibowski E., L. Holysz: On the
Use ofthe Washboum's Equation
for Contact Angle Detemiination;
Joumal of Adhesion Science and
Technology U (1997) 10, 12891301
[50] Holysz L.,E. Chibowski: Surface
Free Energy Components of aAluminia from Thin-Layer Wicking; Langmuir 8 (1992) 2, 717721
[51] Leskovac M.: Studij utjecaja punila na poliakrilatne kompozite,
Disertacija, Sveuàiliste u Zagrebu, Fakultet kemijskog inèenjerstva i tehnologije, Zagreb, 2000.
[52] Kwok D.Y., A.W. Neumann:
Contact Angle Measurement and
Interpretation: Wetting Behaviour and Solid Surface Tensions
for
Poly(acrylmethacrylate)
Polymers,Journal of Adhesion
Science and Technology 14
(2000)5; 719-743
[53] Boury F., J.E. Proust: Modification ofthe Surface Free Energy
Components of Polymer by Adsorption of Poly(oxyethyiene)poly(oxypropylene) Block Copolymers; Contact Angle, wettability and Adhesion, Ed. K.L.
Mittal, VSP 1993,585-595
[54] Dimitrov A.S. et al: Contact Angle Measurements with Sessile
Drops and Bubbles; Journal of
Colloid and Interface Science 145
(1991)8,279-282
[55] Persin Z. et al: Determining the
Surface Free Energy of Cellulose
Materials with the Power Contact
Angle Measurement, Textile Research Joumal 74 (2004) 1,55-62
[56] Ceme L., B. Simoncic: Influence
of Repelent Finishing on the surface Free energy of Cellulosic
38
[57]
[58]
[59]
[60]
A.M. GRANCARIC i sur.: Slobodna povräinska energija tekstila, Tekstil 57 (1-2) 28-39 (2008.)
Textile Substrates, Textile Research Joumal 74 (2004) 5,426432
Grancaric A.M. et al: Interface
Phenomena of Hydrolized Polyester Fabric, Book of Proceedings
of 2nd International Textile,
Clothing & Design Conference Magic World of Textiles,
Dragcevic Z. (ed.). Zagreb, A&C
Design, 2004., 364-369
...: DataPhysics OCA 20; DataPhysics Optical Contact Angle
Measuring Instruments (OCA)
data sheet
Owens D.K., R.C. Wendt: Estimation ofthe Surface Free Energy of Polymers; Journal of Applied Polymer Science 13 (1969),
1741-1747
Di J. et al: Surface Energy of PET
Fabrics Coated with Hydrophobie Resins, Proceedings of 3rd
Intemational Conference on New
Products and Production Technologies for a Textile Industry, 12.7.1999. Gent. Belgium, 188195
[61] WuS.: Polar and Nonpolar Interactions in Adhesion, Journal of
Adhesion 5 (1973), 39-55
[62] Fox H.M.. W.A. Zisman: The
Spreading ofLiquids on Low Energy Surfaces II Modified
tetrafluorethylene Polymers,
Journal of Colloid Science 7
(1952)109-121
[63] Fox H.M., W.A. Zisman: The
Spreading ofLiquids on Low Energy Surfaces III Hydrocarbon
Surfaces, Joumal of Colloid Science 7 (1952) 428-442
[64] Zenkiewicz M.: Methods for the
Calculation of Surface Free Energy of Solids, Joumal of Achivements in Materials and Manufac-
[65]
[66]
[67]
[68]
[69]
turing Engieneering 24 (2007) 1,
137-145
Neumann A.W. et al: An Equation-of-state Approach to Determine Surface Tensions of Low
Energy Solids from Contact Angles, Journal of Colloid Interface
Science 49 (1974) 2, 291-304
Neumann A.W., D. Li: Equation
of State for Interfacial Tensions
of Solid-liquid Systems, Advances in Colloid and Interface Science 39 ( 1992) 299-345
Kwok D.Y., A.W. Neumann:
Contact Angle Interpretation in
Terms of Solid Surface Tension,
Colloid and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 161(2000), 31-48
Chibowski E.: Surface Free Energy of Solid from Contact Angle
Hysteresis, Advances in Colloid
and Interface Science 103 (2003),
149-172
Zenkiewicz M.: Comparative
Study ofthe Surface Free Energy of a Solid Calculated by different methods, Polymer Testing
26(2007), 14-19
[70] Washburn E.W.: The Dynamics
of Capillary Flow, Physical Review 17 ( 1921 ) 3; 273-283
[71] Adamson A.W.: Physical Chemistry of Surfaces, 5''' edition, Wiley, New York 1990
[72] Labajos-Broncano L. et al: Distance-Time Measurements in
Capillary Penetration ofthe Coordinate System; Journal of Colloid and Interface Science 211
(1999), 175-177
[73] Ceme L. i sur.: Primjena metoda
tankosloj ne penetracij e za
odredivanje parametara poroznosti tkanine; Tekstil 53 (2004.)
12.613-622
[74] SimonôioB.etal:UporabaWashbumove enacbe za dolocitev poroznosti tkanin, Tekstilec 46
(2003) 11-12,335-341
[75] Ontiveros-Ortega,A.etal: Effect
of Tannic acid on the Surface Free
Energy of Polyester Dyed with a
Cationic Dye, Joumal of Colloid
and Interface Science 199 (1998),
99-104
[76] Grancaric A.M. et al: Surface
Free Energy of Conventional and
Enzymatically Scoured Cotton
Fabrics. Proceedings ofthe 1st
International Textile, Clothing
and Design Conference - Magic
World Textiles, Dragcevic, Z.
(Ed.), Dubrovnik, October, 2002,
Faculty of Textile Technology,
University of Zagreb, Zagreb,
267-273
[77] Grancaric A.M. et al: Surface
Free Energy in Cotton/Surfactant
and Cotton/Dye System, 1999
Intemational Conference & Exhibition; Charlotte : American Association of Textile Chemists and
Colorists, 1999; 578
[78] Grancaric A.M. etal: Evaluation
ofthe efficacy of various scouring and bleaching regimes for
flax blends by application of a
thin layer wicking method. Journal of the Textile Institute 97
(2006) 4, 325-332
[79] Sampaio S.C. et al: Application of
a Thin-Layer Wicking Method
for the Evaluation of Scouring
and Bleaching Regimes for FlaxBlend Yams. Proceedings ofthe
1 st Intemational Textile, Clothing
and Design Conference - Magic
World Textiles, Dragcevic, Z.
(Ed.), Dubrovnik, October, 2002,
Faculty of Textile Technology,
University of Zagreb, Zagreb,
274-280
A.M. GRANCARI¿ i sur.: Slobodna povrSinska energija tekstila. Teksiil 57 ( I -2) 28-39 (2008.)
39
SUMMARY
Surface Free Energy of Textile
A. M. Grancaric, A. Tarbuk, E. Chibowski*
Phenomena on the Interface in textile wet finishing processes are described: wetting,
penetration and adsorption. These phenomena oecur in contact of two surfaces - liquid
(bath) and solid (textile) whose surface properties determine the intensity of the solidliquid interaction. These interactions are the result of the textile surface free energy and
the treatment bath applied to the textile surface. The surface free energy of a material
(solid) is the sum of energy contributions required by different surface interactions, nonpolar Lifshitz van der Waals and polar acid-basic interactions. The commonly used method for determining the surface free energy by direct measuring the contact angle (wetting angle) contains considerable restrictions when it comes to textile, thus a heterogeneous, porous and mostly hydrophilic surface. The method of determining contact angle is used on very smooth, homogeneous, mostly hydrophobic surface, such as polymer foils. The problem of determining surface free energy on heterogeneous, porous
materials, which have a poorly defined geometry, such as powder materials, textile, ceramics and the like, was solved by Chibowski, starting from Washbum equation which
applies to the measurement of the capillarity of porous materials. This paper describes
an approach to the determination of surface free energy and corresponding energy components on the textile. It is based on the experiments of wetting and penetration of several solvents, polar and non-polar ones, on textile samples using the equipment made
by Chibowski and Holysz.
Key words: surface free energy, textile, wetting, contact angle, thin-layer wicking
University of Zagreb. Faculty of Textile technology
Department of Textile Chemistry and Ecology
Zagreb. Croatia
*Marie Curie Sklodowska University
Department of Chemistry Lubin, Poland
e-mail: [email protected]
Received September II, 2007
Freie Oberflächenenergie der Textilware
Erscheinungen auf den Grenzoberflächen in Nassprozessen der Textilveredlung, unter
denen - Netzen, Penetration und Adsorption am wichtigsten sind - werden dargestellt.
Diese Erscheinungen kommen beim Kontakt von zwei Oberflächen - Flüssigkeit (Flotte)
und Feststoff (Textilware) vor, deren Oberflächeneigenschaften die Intensität der festflüssigen Wechselwirkung bestimmen. Diese Wechselwirkungen sind das Ergebnis der
freien Oberflächen énergie des Gewebes und der Eigenschaft des für die Behandlung
der Textiloberfläche verwendeten Behandlungsbades. Freie Oberflächenenergie eines
Materials (Feststoffes) ist die Summe energetischer Beiträge, die durch unterschiedliche Oberflächenwechselwirkungen, unpolare Lifshitz-van-der-Waals- und polare sauer-basischen Wechselwirkungen vorgeschrieben sind. Die meistens verwendete Methode, um die freie Oberflächenenergie durch das direkte Messen des Berührungswinkels
(Netzwinkels) zu bestimmen, enthält beträchtliche Beschränkungen, wenn es um
Gewebe, also eine heterogene, poröse und größtenteils hydrophile Oberfläche geht. Die
Methode wird meistens auf der sehr glatten, homogenen, größtenteils hydrophoben
Oberfläche wie Polymer-Folien verwendet. Das Problem der Bestimmung der tVeien
Oberflächenenergie auf heterogenen, porösen Materialien mit einer unbestimmt definierten Geometrie, wie z.B. PuIvenmaterialien, Textilware, Keramik und Ähnliches hat
Chibowski gelöst, indem er die modifizierte Washbum-Gleichung einsetzte, die sich auf
die Messung der Kapillarität poröser Materialien bezieht. In dieser Arbeit ist die Bestimmung der ñ-eien Oberflächenenergie und der entsprechenden Energiekomponente auf
dem Textil beschrieben, was auf Experimenten des Netzens und der Penetration einiger
polarer und unpolarer Lösungsmitteltypen auf dem Textil beruht, wobei die Apparatur
nach Chibowski und Holysz verwendet wurde.

Download Report